子午线上观天地

2019年9月23日20:59:54子午线上观天地已关闭评论 18 views

沿着东经120°线和北纬30°线,分布着我国空间科学领域的第一个重大科技基础设施—被称为子午工程的网络式空间环境监测系统。这个项目是用来研究什么的?为什么要如此布局?

为了一探究竟,本刊记者采访了国家空间科学中心的吴季主任。

记者/闫 凯

何谓子午工程?

科学世界:请您介绍一下,“子午工程”是个什么样的工程?

吴季:“子午工程”是“十一五”国家重大科技基础设施项目,全称是“东半球空间环境地基综合监测子午链”。它由两条“台站链”组成。一条在南北方向上,沿东经120°线附近,北起漠河,经北京、武汉,南至海南,并延伸到南极中山站。另一条在东西方向上,沿北纬30° 线附近,东起上海,经武汉、成都、西至拉萨。两条线上共有15个综合性监测台站。这是一个以链为主、链网联合运作的大型空间环境地基监测系统。

科学世界:它是用来研究什么的?

吴季:我们通过用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种地面监测手段,随着地球的自转,连续监测地球周围的空间环境。空间环境和我们平时常说的海洋环境、陆地环境、大气环境不同,可以说是人类生存的“第四环境”,与我们人类的活动和发展息息相关。

科学世界:原来是这样。那是谁提出的最初设想呢?

吴季:1993年,在我国一个空间物理学的规划会议上,中科院院士、空间物理学家魏奉思、王水等专家提出,要“做一个大科学装置,把现有的监测设备都连起来使用”。我国疆域辽阔,南北向、东西向距离均超过5000公里,不可能到处铺设监测设备。所以,大科学装置布设的重点,就收缩到我国科研机构相对比较集中的东经120°线的周边。“子午线”的名称比较响亮,所以这个项目就被简称为“子午工程”。2008年1月5日,子午工程正式开工建设,2012年10月23日通过了国家验收。

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科学世界:沿着这条子午线布设的监测站,随着地球自转,不就可以扫描整个空间环境了吗?为什么还要在东西方向又设置一条监测链呢?

吴季:在项目论证的过程中,科学家们提出来一些新问题,比如“地磁场发生变化的时候,电离层会发生扰动,那么

从低纬度到高纬度的空间环境是不是同时变化的?也就是说,二者之间是不是还有个能量的传输过程?如果有,这个传输是从两极传到赤道,还是从赤道传输到南北极?”之类。

南北方向上的空间环境变化,我们称为“纬度效应”。在子午线上设置监测站,就是要看有没有纬度效应。同时,还要研究不同地理位置上(南北方向)的电离层、高层大气的分布和能量传播情况。东西方向的这条监测链也很有意义。

我国地域广阔,所以我们要充分利用这种家。我们和北面的俄罗斯建立了中俄空间天气研究联合实验室,将探测范围向北延伸;又和南面的澳大利亚签定协议共享这条子午线上的监测数据,将探测范围向南延伸。现在,无论在北半球还是南半球, 只要在东经120°线附近,都有监测台站。

子午工程地图

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子午工程由两条“台站链”组成,最南端的站点延伸到南极中山站。它可以监测地球表面20~30公里以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层,以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、中高层大气的风场、密度、温度和成分等相关参数。

把地球转过半圈,“国际子午圈计划”还会涉及西半球的西经60°线。目前主要是美国和加拿大拥有探测技术和设备,他们比我们起步早,但是没有组建成链。此外,我们打算帮助南美洲国家在这条子午线上建设一些监测台站。这样一来,两条子午线接成了一个大圆,在这个大圆上分布的地面监测设施就可以进行联合监测了。

科学世界:子午工程的各种仪器是怎样探测空间环境的?

吴季:我们用地磁仪监测地磁场。此外,还有无线电雷达、激光雷达、探空火箭等手段综合探测。

例如,用雷达向天上发射一个无线电信号,在中性大气里不会产生回波,直到遇上电离层,才会产生回波。这是因为当电子密度大到一定程度,无线电波就无法通过了,会被反射回来。

到夜间,我们用激光可以打到电离层中的E层(约90公里高)。在这个高度的大气中有金属钠的聚集,对激光有强的反射。通过计算激光返回的时间,可以判断出该层的高度。根据回波的强度,判断这地理上的跨度,对比经度不同带来的效应。实际上,电离层是高空大气向上扩散被电离以后形成的,而下层大气的运动大多是东西向运动的,所以,电离层和下层大气有很大的关系。因为地球有自转,很多电离层的不均匀结构也是沿着东西方向分布和移动的。这些差异可以从东西方向的这条链检测出来。

另外,由于地球在自转,电离层随着太阳照射情况的不同,具有“日效应”, 即正午、子夜、早晨、黄昏,各个时段都有特殊的效应。在东西方向上设立监测站,我们就能随着地球自转,连续地监测到一天中的不同地理时间的空间环境的变化。这样,在东经120°线和北纬30°线两条链上联合监测,可以同时测得纬度效应和地理时间的效应。

科学世界:子午工程只测量我国境内上空所对应的一小段空间环境,那么东经120°线上的其他部分的空间环境又该如何探测呢?

吴季:我国在南极的中山站也在为子午工程提供数据。

在子午工程建设初期,我们就在倡导“国际子午圈计划”,希望把我国的地面站延伸到位于东经120°线上的其他国一层的大气密度的变化。

科学世界:2012年通过国家验收后, 子午工程有了什么新的研究成果?

吴季:我们找到一些事例,可以证明纬度效应、磁层和电离层耦合。这些科学数据也被应用于我国重大的空间活动,比如载人航天工程等。在嫦娥卫星发射期间,子午工程也提供了空间环境的背景数据。

空间环境与人类息息相关

科学世界:地球的空间环境包括什么?

吴季:地球空间环境包括中高层大气、电离层、磁层、行星际空间。大气层离地面越高,物质就越稀薄。但是,绝对真空是不存在的。到很高的高度时,很稀薄的大气被太阳发出的紫外线照射,就会发生电离,即变成了电子(带负电)和离子(带正电)。由于地球本身就是一个偶极场的大磁体,周围分布着磁场,所以地球磁场就会推动这些带电粒子运动。

科学世界:太阳活动是如何影响地球的?

吴季:日地空间是一个耦合的复杂系统。太阳活动与太阳爆发引起的太阳风扰动,通过与地球磁层相互作用,形成地磁暴(地球磁场发生剧烈波动)、亚暴等磁层扰动,并通过一系列耦合系统,进一步影响到地球电离层和热层,引起电离层暴、热层暴,产生包括极光在内的中高层大气剧烈扰动现象。

太阳除了向地球发出各种电磁波,还输出物质。太阳活动中的“CME事件”(日冕物质抛射事件),是太阳系里最为猛烈的物质抛射和能量转换过程,也是最为剧烈的爆发过程。通常情况下,“太阳风”是一种很稀薄的比较稳定的等离子体。但是在发生日冕物质抛射事件时,太阳风就会携带一大团高密度的带电粒子, 而且携带着特定方向的磁场。当这些物质到达地球附近的时候,它们就会对地球周围的空间环境状况造成强烈扰动。

科学世界:日冕抛射的物质是怎样影响到地球磁场的呢?

吴季:太阳抛出的等离子体携带的磁场比地球磁场弱,等离子体本身是带电的粒子。当它们运动到地球的偶极磁场以后,运动的带电粒子就会在磁力的作用下,向地球两极运动。地球磁场有个“刚度”,在一般情况下可以维持自有的形状。当地球磁场正常的时候,带电粒子会在距离地球6万公里远的地方(磁层顶) 聚集,在地球磁场的作用下发生偏转后, 粒子就向两极地区沉降。没有沉降的粒子继续向地球背面运动,拖出一条很长的磁尾。

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太阳风来自太阳表面的某一个区域, 所以喷出来的太阳风是带有一定方向的磁场的。即使它们在向外输送的过程中也会MST雷达是一种工作在VHF频段(甚高频,频率为30兆~300兆赫兹)的大气层观测专用无线电雷达,  用来观测中间层(Mesosphere)-平流层(Stratosphere)-对流层(Trosphere)的风场矢量和湍流。

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保留这个方向的磁场。当太阳风运动到地球磁层顶的时候,两个不同方向的磁场就会发生“冲击”。

当太阳风很强的时候,太阳风粒子速度很快,等离子体携带的磁场强度很强, 甚至会把向阳一侧的磁层顶压迫到距离地球3万公里远的地方,这相当于正常距离的1/2。大家都知道,运动的带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力。粒子携带的能量和地球磁场发生作用以后,就会使地球的磁场发生扰动。地球磁场给运动的带电粒子某一个方向上的洛伦兹力,相应地,带电粒子也会给地球一个相反的作用力,最终使二者合成的磁场发生改变。

科学世界:地球的空间环境变化会对我们造成什么后果?

吴季:主要由于太阳活动,地球周围的空间环境总是在变化。地球磁场一变化,就会带动地球周围粒子的运动发生变化。这样一来,有的在地球周围运动的粒子就会被加速,这些能量很高的粒子打在人造卫星上,就可能导致卫星失效。目前所知,有40%的人造卫星故障都是由空间环境因素引起的。

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双波长三通道激光雷达,可同时获得近地面至110公里的大气后散射的回波信号,通过反演得到地球空间环境的中高层大气的密度、温度、钠层密度等大气参数。

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除此以外,电离层的波动也是由太阳活动引起的,一些技术设施也会受到影响。无线电要通过电离层的反射,进行远距离传播。现在的卫星与地面之间的通讯信号也要穿过电离层。如果此时电离层发生扰动,就会让遥测信号在某处电离层发生折射,导致遥测卫星或者接收信号的时候丢失数据。

在极地,地磁场的磁力线方向是从天空到地面的。如果地面上有个平铺的大环路的话(如输电线和输油管道),当磁力线发生扰动的时候,电线和管道围成的环路上就会有磁通量的变化,这样的话就会在“线圈”上产生感应电流。这种感应电流有时会非常大,会烧毁变压器和输油设备。

科学世界:太阳风带来的粒子是如何影响人造卫星的?

吴季:人造卫星是在有粒子的环境中运行的。如果粒子环境很安静的话,粒子的能量比较低,卫星的太阳帆板上会积累电荷(充电效应)。卫星在通过地球日照面和阴影面的时候,平衡被打乱,这些电荷会突然发生释放(放电)。放电时,会形成放电电流和辐射电磁脉冲,有的器件就会受到干扰。电磁脉冲被卫星上的数据线接收到以后,记录数据的“0”会变成“1”,“1”会变成“0”,这样就会发生数据错误。如果严重的话,放电的电流打在电气元件上,这些元件会受到损伤。

如果卫星在高能粒子的环境下运行,这些粒子就会直接穿透卫星元器件的表面,打到芯片上。现在最容易被打坏的就是高集成度的半导体芯片,特别是存储器,也会发生“0”和“1”互换的错误。粒子打在芯片上,实际上是粒子的能量传递给半导体的P/N结上了。如果P/N结总 是锁在“1”的状态,就变不成“0”了。惟一的办法就是让卫星关机,然后再开机。有的时候,卫星就完全损坏了,开关机操作也改变不了了。这种事故是经常发生的。所以我们生产卫星的时候要用“宇航级”的元器件,即使在遭受粒子轰击的时候,也能保持一定的抗“锁定”的能力。有的器件要做“三模冗余”设计,就是把3个相同功能的器件并联,若其中1个坏了,还有另外两个可以用,在判断正误上用三选二。因为这种空间环境事件是不可避免的,只能用各种办法来克服它可能带来的影响。

科学世界:发生地磁暴的时候,地磁场的强度有什么变化?

吴季:正常地磁场强度大约是50000nT。n是10-9,T是磁通量密度单位“特斯拉”。地磁暴分为正暴和负暴, 即增加和减少一部分地磁场强度。发生地磁暴的时候,地球磁场的变化会高达10%~20%。

科学世界:在我们的日常生活中,什么现象与空间天气有关呢?

吴季:在人类进入太空以前,确实没人特别关注过这个领域。从1957年发射第一颗人造卫星以后,人类就开始关注空间环境了。通常,只有载人飞船、火箭、人造卫星等技术设施可以进入“空间”区域。

如果空间天气发生变化的话,最直观的自然现象就是极光。

科学世界:只有极地附近才能看到极光吗?

吴季:在极端的空间天气现象中,即便是低纬度地区也能看到极光。我们在《后唐书》里查到记载,在公元775年1月,在长安地区(今陕西西安市部分地区,约北纬34°)就看到了极光。

科学世界:最近有没有发生过大规模的空间天气事件呢?

吴季:1989年3月13日,加拿大魁北克地区的电网大停电事故,就是由于空间天气事件引起的,引起人们的广泛关注。但是这次事件还不算最大的。

在1859年发生的“卡林顿事件”,应该是最近150年来发生的最大规模的空间天气事件了。当时在纬度很低的墨西哥(约北纬19°)都能看到极光。在没有月亮的夜晚,人们可以在极光下看报纸。那时候,世界上已经有地磁仪了,测出北半球地磁场变化比较大,但是高纬度地区的地磁仪读数甚至都饱和了— 仪器指针已经打到最大读数,所以人们无法知道当地的真实数据到底有多大。不过在低纬度地区(例如印度)有一些地磁仪保留下了当时的数据,测到地磁相对于正常值突然减小了20%。有报道称, 在这次事件中,欧洲有一些有线电报网上产生了巨大的感应电流,把终端设备上的电报纸都烧着了。这些都是当时记录下来的空间天气事件对人类社会造成的一些影响。

假如我们现在的社会再经历一次那种级别的地磁暴事件,很多卫星应该都会被毁掉的, 而且地面上很多基础设施,比如变压器、石油管道都会被损坏。所幸的是我们现在还没有遇到那样大的磁暴事件。向前回溯150年,就已经发生过一次这样的严重事件,如果继续倒退至1000多年前的唐朝,这中间还可能发生过好几次重大的空间天气事件。只是以前还没有电气和空间的基础设施,不会对人们的正常生活造成那么大的影响,因此也没有留下记录。

科学世界:当空间天气发生剧烈波动时,会对生活造成什么影响?

吴季:信鸽是用地磁场导航的,如果发生磁暴的话,信鸽就可能找不到回家的路。所以,信鸽协会要经常关注空间天气的信息。

海事卫星电话、GPS导航系统,都会因为电离层活动而被干扰。如果用单频的GPS 设备进行定位,正常情况下精度为10~20 米,被干扰之后偏差可能会有几百米。

航空公司也很关心空间天气情况。美国航空公司规定,如果发生重大空间天气事件,飞越极区的航班的飞行员可以拒绝飞行。因为太阳风粒子会在北极上空沉降,辐射量非常大,如果在这期间通过的话,相当于拍了多次X光片。

人类社会越是依赖空间基础设施,可能受到空间天气的影响就越大。在国外,已经形成了由电力系统、航空系统、通信系统、保险公司、户外活动人员、卫星用户和卫星研制单位组成的庞大的空间天气预报的用户群体。

空间天气预报为何重要?

科学世界:空间天气预报能在多大程度上减少这些危害呢?

吴季:如今,很多基础设施都会受到空间环境的影响。所以,人们希望可以像天气预报那样预报空间天气,并采取一些应对的防护措施。比如,当预报有强烈的太阳活动时,可以先把卫星关机,暂时躲避磁暴,等这阵太阳风吹过去以后再开机。

科学世界:子午工程在预报空间天气时能起多大作用?

吴季:子午工程主要是提供地面的观测数据。只有对太阳的观测才能带来先兆性的预报参数。比如,日冕物质抛射到行星际空间以后,要走1天半到2天才能到达地球。但如果只是看到抛射现象,那还不能肯定地说“这团物质会到达地球周围的空间”。

科学世界:这是为什么呢?

吴季:通过地面上的望远镜,是可以看到太阳上有物质喷出来了,可是这团物质在行星际空间的运动方式比较复杂,最终可能会跑到别处去。

在太阳和地球之间有一个“拉格朗日点L1”,是太阳和地球的引力平衡点,距离地球约150万公里。如果在这里放一个卫星,就可以充当探测太阳风的前哨站。美国和欧洲空间局联合研制的SOHO卫星(Solar and Heliospheric Observatory,太阳和日球层探测器)就是这样的一颗卫星。如果太阳风一直很宁静,突然间,卫星监测到的粒子数升高了,说明这团物质已经到了L1点了。太阳风从L1点到地球的磁层顶大概还需要40分钟时间。在“前哨站”探测到的这些数据很重要,可以用作空间天气的警报。当太阳风已经到了磁层顶,最终到达电离层,使之发生变化,可能还要经过1~2天。因为大量的粒子聚集、沉降到地球的两极。地球磁场受到外界压迫以后, 突然膨胀或者收缩,反过来再影响电离层。这时,很多之前没有沉降的粒子会运动到磁尾,再通过磁场重联释放能量,有一部分又运动回地球两极。每发生一次空间天气事件,从开始形成到最后宁静下来,需要几天的时间。

子午工程的观测结果表明,太阳风对地球造成的影响,大部分都是从地球的极区向赤道传播的。如果高纬度已经发生了空间天气事件,那么可以预测低纬度也很快就要发生了,于是可以提出一些警报。如果电离层发生变化了,我们预计大气也会发生变化,因为二者是一种相互的耦合关系。

科学世界:我国现在根据监测到的空间天气数据能做到预报吗?

吴季:要想准确地预报空间天气的话, 首先要有好的物理模型,建好模型后输入参数,然后就可以演示以后几天的空间天气变化了。空间天气的物理模型的内容很多,包括太阳发生爆发以后,太阳风是怎样传输到地球的?太阳风传输到地球以后,怎么和地球磁场发生耦合的?这些耦合又带来了电离层的哪些变化?电离层和下部大气的耦合关系如何等等,是个很复杂的模型。只有得到足够的观测数据,才有可能建立起一个尽可能准确的物理模型。然后输入一些参数,就可以做准确的预报了。目前,我们的观测数据还不够,对事件发生和发展的机制还在研究、物理模型也还在建立中,整体上处于实验阶段。所以,现在的预报主要还是凭经验。

科学世界:我们能不能直接用国外的数据做空间天气预报?

吴季:在第二次海湾战争(2003年) 之前,我们已经开始做空间天气预报了。那时我们还没有自己的太阳观测卫星,大量的数据来自国外卫星。但是,战争爆发后,我们就收不到他们的卫星数据了。因为美国在这个特殊时期可能要利用这些空间环境的数据,或者怕其他国家利用这些数据干扰他们的军事行动,于是就把卫星数据封锁了,直到战争过后才恢复开放。

一般来说,做科学研究的卫星,获得的数据都是向全世界开放的。但上面的例子说明,在某些特殊时期,即使是科学卫星,也可能不开放。所以我们还是需要建立自主的、地面的,乃至空间的空间环境监测系统。

科学世界:那么,您能给我们介绍一下子午工程未来的发展计划吗?

吴季:以后,我们还打算对子午工程在我国境内的两条线进行加密,也就是在东经100°和北纬40°各加一条线,与现有的两条线一起,组成“井”字形的监测网络。这个网络建成后,就可以为我国的空间天气研究提供更详尽的科学数据。

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